JP2019192379A - 車両用蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池の加温を効率的行うことができる車両用蓄電装置を提供すること。【解決手段】直方体形状のケースを有する複数の蓄電池を備えた車両用蓄電装置において、前記蓄電池は、正極板と負極板がセパレータを介して偏平状に巻回され且つ平行な１対の偏平面部を有する巻回体と、前記巻回体の外周を覆う絶縁性の断熱部材とを前記ケース内に収容し、前記巻回体の少なくとも一方の偏平面部と前記断熱部材の間に絶縁部材を介して前記偏平面部に当接するヒータを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、車両に搭載する車両用蓄電装置に関する。

近年、車両に搭載する補機用の蓄電装置を構成する蓄電池を鉛蓄電池から鉛を含まないリチウムイオン二次電池に置き換えることが検討されている。リチウムイオン二次電池は同じ蓄電容量の鉛蓄電池と比べて小型化、軽量化を図ることができ、車両の軽量化や走行性の向上に寄与する。

例えば角型のリチウムイオン二次電池は、アルミ合金製の直方体形状のケース内に正負の電極板と電解液を密閉状に収容して構成され、ある程度の耐衝撃性を備えている。そして、複数の角型のリチウムイオン二次電池によって補機用の蓄電装置を構成してエンジンルーム内に配設する。

エンジンルーム内に配設された補機用の蓄電装置は、走行時にはエンジンの熱によって温められた空気にさらされ、冷間時には外気温度まで低下する。蓄電装置を構成するリチウムイオン二次電池にはその優れた性能を発揮できる使用温度域があり、この使用温度域外での充放電は性能を発揮できないばかりでなく劣化が進行する虞がある。そのため、補機用の蓄電装置はエンジンの熱の影響を受け難くする必要がある。また、外気温度が使用温度域の下限温度よりも低温の場合には、補機用の蓄電装置を使用温度域内の温度に維持するように加温する必要がある。

蓄電装置を温める技術として、例えば特許文献１のように、角型の蓄電池の集合体底部側に配設されたヒータによって温める技術が知られている。また、特許文献２のように、セパレータ介して正極板と負極板を交互に重ねて絶縁フィルムで密封したラミネート型の蓄電池の間に、シート状のヒータを配設する技術が知られている。

特開２００８−１０３２０７号公報 特許第５６０９７９９号公報

角型の蓄電池で構成された蓄電装置を温める場合、特許文献１のように、ヒータがケースに近接又は当接するように配設され、通電により発生するジュール熱をケースに伝えて蓄電池を温めるので、特許文献２のように電極板の加温を効率的に行うことが困難である。具体的には、電極板以外のケース等の熱容量があるため、ヒータの熱が正負の電極板の加温以外にも使われる。

また、ヒータの熱を逃がさないため、及びエンジンからの熱の影響も防ぐためにヒータと共に蓄電装置を断熱部材で覆うことも考えられるが、ヒータはケースの所定の面から温めるので、電極板は均一に温まり難く、蓄電池の加温には改善の余地があった。

本発明の目的は、蓄電池の加温を効率的に行うことができる車両用蓄電装置を提供することである。

請求項１の発明は、直方体形状のケースを有する複数の蓄電池を備えた車両用蓄電装置において、前記蓄電池は、正極板と負極板がセパレータを介して偏平状に巻回され且つ平行な１対の偏平面部を有する巻回体と、前記巻回体の外周を覆う絶縁性の断熱部材とを前記ケース内に収容し、前記巻回体の少なくとも一方の偏平面部と前記断熱部材の間に絶縁部材を介して前記偏平面部に当接するヒータを備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、ヒータがケースを介さずに巻回体を広い偏平面部から温めると共に、断熱部材によってヒータの熱をケースに伝え難くして効率的に加温できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ヒータは、前記蓄電池の正極端子及び負極端子に接続されて前記蓄電池の電力によって作動し、前記ヒータの作動と非作動を所定の切替え温度で切替える温度スイッチを備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、蓄電池自体が所定の切替え温度以上の温度を維持することができるので、外気温が低い環境に駐車している間も蓄電池の使用に適した温度を維持して、充放電可能な状態を維持することができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ヒータは、前記ヒータ作動時に前記ヒータの発熱と前記蓄電池の自己発熱によって前記切替え温度に維持されるように抵抗値が設定されたことを特徴としている。
上記構成によれば、電力消費を最小限にして蓄電池のＳＯＣの低下を緩やかにすることができる。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記絶縁部材は、前記断熱部材の内側で前記巻回体の外周を覆い、前記偏平面部に接する領域に前記ヒータを収容するための袋状の収容部を備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、巻回体とヒータを絶縁する絶縁部材に形成された収容部にヒータを収容することによって、巻回体の偏平面部にヒータを容易に固定することができる。

請求項５の発明は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記断熱部材は、前記偏平面部に接する領域に絶縁シート部材が接着されて形成された前記ヒータを収容するための袋状の収容部を備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、巻回体の外周を覆う断熱部材に絶縁シート部材によって形成された収容部にヒータを収容し、巻回体の偏平面部に収容部が当接するように巻回体の外周を覆うことにより、巻回体とヒータを絶縁すると共に巻回体の偏平面部にヒータを容易に固定することができる。

本発明の車両用蓄電装置によれば、蓄電池の加温を効率的に行うことができる。

本発明の実施形態による車両の構成を説明するブロック図である。 本発明の実施形態による蓄電装置の要部分解斜視図である。 本発明の実施形態による蓄電池の要部分解斜視図である。 図３のIV−IV線断面図である。 収容部の１例を示す要部展開斜視図である。 収容部の他の例を示す要部展開斜視図である。 低温環境下に置いた蓄電池の温度変化を示す図である

以下、本発明の実施形態による車両用蓄電装置について説明する。最初に、図１に基づいて車両の全体構成について説明する。
車両は、車両駆動装置１としてエンジンルーム内に、車両駆動用のエンジン２と、補機３としてエンジン２を始動させるスタータモータ４、エンジンルームに外気を送り込む送風ファン５、エンジン２の駆動力を利用して発電するオルタネータ６、温度センサ７を含む各種センサを備えている。また、エンジンルーム内に、エンジン２や補機３等に供給する電力を蓄える蓄電装置１０（車両用蓄電装置）を備えている。そして、車両は、これらエンジン２、補機３、蓄電装置１０等を制御する制御部（ＥＣＵ８）を搭載している。

ＥＣＵ８は、ＣＰＵと各種プログラムを記憶するメモリと入出力装置等を備えたコンピュータにより構成されている。このＥＣＵ８は、各種センサから周期的に出力される信号を処理して、エンジン２、送風ファン５、蓄電装置１０等に対して適切に作動させるための制御信号を出力する。ＥＣＵ８は蓄電装置１０の充電状態（State Of Charge:ＳＯＣ）を管理し、走行に支障がないようにオルタネータ６を駆動して充電する。

次に、蓄電装置１０について説明する。
蓄電装置１０は、エンジン２を収容する車両のエンジンルーム内に配設されている。エンジン２は図示外の例えば水冷式の冷却機構により冷却されるが、エンジン２から放出される熱はエンジンルーム内の空気を温める。この空気は、走行風及び送風ファン５によってエンジンルーム内に導入された外気と共に外部に排出される。温度センサ７は、蓄電装置１０の表面温度又はその近傍の温度を検知して温度データをＥＣＵ８に出力し、ＥＣＵ８は蓄電装置１０の過度の温度上昇を予防するために送風ファン５を駆動して送風量を調整する。

蓄電装置１０は、複数の角型のリチウムイオン二次電池（蓄電池２１）を直列に接続して補機３等に電力を供給するように構成されている。例えば図２に示すように、蓄電装置１０は、４つの蓄電池２１が夫々絶縁性のセパレータ１３を間に挟んで密着状に１列に整列した状態を維持するように、１対の支持部材１１と１対のエンドプレート１２を連結して構成されている。これらの蓄電池２１は、複数のバスバー１４によって直列に接続され、その両端部に蓄電装置１０の正極端子１５と負極端子１６を備えている。

次に、蓄電池２１について図３〜図５に基づいて説明する。
蓄電池２１は、直方体形状のケース２２を有し、蓋部材である上面部２２ａに蓄電池２１の正極端子２３と負極端子２４が配設されている。ケース２２は、その側面部面積が最大の互いに平行な第１側面部２２ｂ及び第２側面部２２ｃと、これら第１，第２側面部２２ｂ，２２ｃに直交し且つ互いに平行な第３側面部２２ｄ及び第４側面部２２ｅと、上面部２２ａに対向する底面部２２ｆを有する。このケース２２内に、多孔性のセパレータ（第１セパレータ３０ａ，第２セパレータ３０ｂ）を介して正極板３０ｃと負極板３０ｄとを水平軸心周りに偏平状に巻回して外周を絶縁部材３３と断熱部材３４で覆った巻回体３０及び電解液（図示略）が収容され、蓋部材で密閉されている。

巻回体３０の水平軸心方向の一方（例えばケース２２の第３側面部２２ｄ側）の端部領域では、正極板３０ｃに連なる正極集電タブ３１が上方に延びてケース２２内で正極端子２３に接続されている。巻回体３０の水平軸心方向の他方（第４側面部２２ｅ側）の端部領域では、負極板３０ｄに連なる負極集電タブ３２が上方に延びてケース２２内で負極端子２４に接続されている。また、巻回体３０は、第１側面部２２ｂ側及び第２側面部２２ｃ側にその外周部の広い面積を占める平坦且つ互いに略平行な１対の偏平面部を有する。

巻回体３０の外周を覆う絶縁部材３３は、合成樹脂材料（例えばポリプロピレンやポリエチレン）で柔軟なシート状に形成されている。絶縁部材３３で覆われた巻回体３０は、少なくともその外周の過半領域をシート状の断熱部材３４によって覆われており、水平軸心方向両端部も絶縁部材３３で覆われていてもよい。この断熱部材３４と絶縁部材３３の間であって、巻回体３０の少なくとも一方の偏平面部（例えば第１側面部２２ｂ側の偏平面部）に近接する領域に、その偏平面部から巻回体３０を温めるためのシート状のヒータ３５が配設されている。

ヒータ３５は、通電によりジュール熱が発生するように構成され、その１対の電源線３５ａ，３５ｂが夫々蓄電池２１の正極端子２３、負極端子２４に接続されている。電源線３５ａは、上面部２２ａに配設された温度スイッチ２５を介して正極端子２３に接続されている。温度スイッチ２５は、所定の温度未満で通電するように切替わり、蓄電池２１の温度として上面部２２ａの温度又はケース２２内の温度を検知して作動する。これにより蓄電池２１は、それ自体に蓄えられた電力によりヒータ３５を作動させて所定の温度を維持する。所定の温度は例えば−２０℃であり、蓄電池２１の仕様（使用温度域の下限値）によって適宜設定する。

ヒータ３５の抵抗値は、ジュール熱及びヒータ３５作動時に電力を供給する蓄電池２１の自己発熱により、断熱部材３４で覆われた巻回体３０が所定の温度を維持可能なように設定されている。例えば、−３０℃の環境下で蓄電池２１が−２０℃を維持するために、ヒータ３５の発熱量とケース２２からの放熱量が釣合うようにヒータ３５の抵抗値を設定する。蓄電池２１の仕様によって放熱量は異なるので、この抵抗値は蓄電池２１の仕様に応じて適宜設定する。これによりヒータ３５の電力消費を最小限にして、ＳＯＣの低下を緩やかにしている。

断熱部材３４は、例えばシリカエアロゲル系の多孔性の中空構造体をその中空構造が外部に対して閉じるように屈曲可能なシート状に形成したものであり、絶縁部材３３よりも巻回体３０とケース２２の間の熱伝導を抑える効果が高く、電解液が浸潤せず絶縁性を有している。巻回体３０の外周を覆う絶縁部材３３は、巻回体３０の少なくとも一方の偏平面部（例えば第１側面部２２ｂ側の偏平面部）に当接する領域に合成樹脂製の絶縁シート部材を接着して形成された袋状の収容部３３ａを備えている。この収容部３３ａにヒータ３５が密封状に収容され、ヒータ３５は電解液及び巻回体３０に直接接触しない。ヒータ３５の電源線３５ａ，３５ｂは、夫々収容部３３ａの外側に延びて正極端子２３，負極端子２４に接続される。

収容部３３ａの代わりに、図６に示すように、断熱部材３４が巻回体３０の例えば第１側面部２２ｂ側の偏平面部に近接する領域に、合成樹脂製の絶縁シート部材を接着して袋状の収容部３４ａを形成し、この収容部３４ａにヒータ３５を収容して密封することもできる。また、図示を省略するが、合成樹脂製の絶縁シート部材で挟んで密封したヒータ３５を、例えば第１側面部２２ｂ側の偏平面部に近接する領域に配設して、断熱部材３４で覆って保持することもできる。これらの場合は、絶縁部材３３を省略することもできる。

ＥＣＵ８は、温度センサ７の温度データに基づいて、ＥＣＵ８が蓄電装置１０の所定の使用温度域内で蓄電装置１０がその性能を発揮できるように送風ファン５による冷却を制御する。例えば温度センサ７が、使用温度域の上限温度（例えば６０℃）以上の温度を検知又は検知温度の上昇態様からその上限温度を超えることが予測された場合に、その使用温度域の上限温度より低い温度を維持するように送風ファン５を作動させる、又はその送風量を増加させる。蓄電池２１の巻回体３０は、断熱部材３４により覆われているので、一時的な周囲の温度上昇の影響が低減される。

一方、温度スイッチ２５は、蓄電池２１の温度が使用温度域の下限温度（例えば−２０℃）未満の温度になるとヒータ３５に通電し、少なくともその使用温度域の下限温度を維持するようにヒータ３５が作動する。図７は、温度スイッチ２５と断熱部材３４とヒータ３５を備えていないこと以外は蓄電池２１と同等の従来の蓄電池と蓄電池２１を、夫々２５℃の状態から外気温度が−３０℃の環境に置いたときの温度の変化を示している。従来の蓄電池は、破線で示すように使用温度域の下限温度−２０℃に１．７時間程で降温し、その後も外気温度の−３０℃まで降温して使用に適した状態ではなくなっている。一方、蓄電池２１は、実線で示すように使用温度域の下限温度の−２０℃に降温するまでの時間が従来の蓄電池よりも長い３時間程度になり、その後もヒータ３５の作動により使用温度域の下限温度を維持している。

次に、本発明の作用、効果について説明する。
エンジンルームに配設された蓄電装置１０は、複数の蓄電池２１で構成されている。各蓄電池２１は、その直方体形状のケース２２内に、絶縁部材３３で覆われた巻回体３０を断熱部材３４で覆って収容している。絶縁部材３３と断熱部材３４の間には、巻回体３０を温めるためのシート状のヒータ３５が配設されている。従って、エンジン２の熱で温められた空気による巻回体３０の温度上昇を断熱部材３４で抑制すると共に、低温環境下においてヒータ３５で加温する場合にケース２２を介さずに広い偏平面部から巻回体３０を均一に加温し、断熱部材３４によってヒータ３５の熱をケース２２に伝え難くして効率的に加温できる。

ヒータ３５は、蓄電池２１の正極端子２３及び負極端子２４に接続されてその蓄電池２１の電力によって作動する。そして、ヒータ３５の作動と非作動を所定の切替え温度で切替える温度スイッチ２５を備えたので、蓄電池２１自体が所定の切替え温度以上の温度を維持することができる。従って、外気温度が蓄電池２１の使用温度域よりも低温の環境に駐車している間もその使用温度域内の温度を維持して、充放電可能な状態を維持することができる。

その上、ヒータ３５作動時にヒータ３５の発熱と蓄電池２１の自己発熱によって切替え温度に維持されるようにヒータ３５の抵抗値が設定されたので、ヒータ３５による電力の消費を最小限にして蓄電池２１のＳＯＣの低下を緩やかにすることができる。

絶縁部材３３は、巻回体３０の外周を覆い、その巻回体３０の偏平面部に近接する領域にヒータ３５を収容するための袋状の収容部３３ａを備えたので、収容部３３ａにヒータ３５を収容することによって、巻回体３０の偏平面部にヒータ３５を容易に固定することができる。

断熱部材３４の巻回体３０の偏平面部に近接する領域に絶縁フィルムが接着されて形成された袋状の収容部３４ａを備えた場合には、この収容部３４ａにヒータ３５を収容して巻回体３０の偏平面部にヒータ３５を容易に固定することができる。

水平軸心周りに巻回した巻回体３０の代わりに、鉛直軸心周りに巻回した巻回体や、セパレータを介して正負の電極板を交互に積層した電極体を使用した蓄電池においても、同様に構成することができる。また、エンジンルームに配設される補機用の蓄電装置１０について説明したが、例えばハイブリッド車や電気自動車の駆動用モータに電力を供給する車両駆動用の蓄電装置として構成することもできる。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態をも包含するものである。

１ ：車両駆動装置
２ ：エンジン
３ ：補機
７ ：温度センサ
８ ：ＥＣＵ
１０ ：蓄電装置
２１ ：蓄電池
２２ ：ケース
２２ｂ ：第１側面部
２２ｃ ：第２側面部
２３ ：正極端子
２４ ：負極端子
２５ ：温度スイッチ
３０ ：巻回体
３０ａ ：第１セパレータ
３０ｂ ：第２セパレータ
３０ｃ ：正極板
３０ｄ ：負極板
３３ ：絶縁部材
３３ａ ：収容部
３４ ：断熱部材
３４ａ ：収容部
３５ ：ヒータ
３５ａ，３５ｂ ：電源線

Claims (5)

1. 直方体形状のケースを有する複数の蓄電池を備えた車両用蓄電装置において、
   前記蓄電池は、正極板と負極板がセパレータを介して偏平状に巻回され且つ平行な１対の偏平面部を有する巻回体と、前記巻回体の外周を覆う絶縁性の断熱部材とを前記ケース内に収容し、
   前記巻回体の少なくとも一方の偏平面部と前記断熱部材の間に絶縁部材を介して前記偏平面部に当接するヒータを備えたことを特徴とする車両用蓄電装置。
2. 前記ヒータは、前記蓄電池の正極端子及び負極端子に接続されて前記蓄電池の電力によって作動し、前記ヒータの作動と非作動を所定の切替え温度で切替える温度スイッチを備えたことを特徴とする請求項１に記載の車両用蓄電装置。
3. 前記ヒータは、前記ヒータ作動時に前記ヒータの発熱と前記蓄電池の自己発熱によって前記切替え温度に維持されるように抵抗値が設定されたことを特徴とする請求項２に記載の車両用蓄電装置。
4. 前記絶縁部材は、前記断熱部材の内側で前記巻回体の外周を覆い、前記偏平面部に接する領域に前記ヒータを収容するための袋状の収容部を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用蓄電装置。
5. 前記断熱部材は、前記偏平面部に接する領域に絶縁シート部材が接着されて形成された前記ヒータを収容するための袋状の収容部を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用蓄電装置。